Pila de combustible de hidrógeno: funcionamiento, ventajas y desafíos

La pila de combustible de hidrógeno es un dispositivo que ha sido diseñado para convertir energía química en electricidad. Se supone que es una alternativa segura y limpia a la quema de combustibles fósiles para alimentar, entre otras cosas, nuestros automóviles, ya que sus productos de desecho, en lugar de grandes cantidades de dióxido de carbono e incluso partículas de azufre, la celda de combustible de hidrógeno libera dióxido de carbono en cantidades más pequeñas. cantidades y agua.

El mecanismo básico detrás de este tipo de pilas de combustible es que la energía se crea a partir de una reacción de iones de hidrógeno positivos y un agente oxidante, que a menudo es oxígeno. A diferencia de las baterías, las pilas de combustible de hidrógeno necesitan una fuente continua de oxígeno u otro combustible para mantener la reacción química, lo que significa que pueden funcionar de forma continua siempre que se les suministre los insumos esenciales.

Fuente: Fotos de depósito

El hidrógeno es el elemento más común disponible en el planeta Tierra. Un átomo de hidrógeno consta de un solo protón y un electrón. Aunque está disponible en abundancia, no ocurre como gas en la Tierra. El agua, por ejemplo, contiene dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno unidos. Se requiere un proceso llamado electrólisis para separar el agua en sus componentes de oxígeno e hidrógeno.

Una celda de combustible de hidrógeno combina hidrógeno y oxígeno para producir electricidad, calor y agua. Como el hidrógeno tiene un alto contenido de energía y casi no produce contaminación, se utiliza como combustible para impulsar el transbordador espacial y los cohetes a la órbita. Estas células alimentan los sistemas eléctricos del transbordador y producen agua limpia como subproducto. Proporciona voltaje de CC (corriente continua) que se puede utilizar para alimentar motores y hacer funcionar cualquier número de aparatos eléctricos.

A medida que exploramos formas de reducir los precios y reforzar la independencia energética de nuestro país, una fuente de energía significativa ha surgido como una solución potencial: las pilas de combustible de hidrógeno.

~ Dan Lipinski

¿Cómo funciona una pila de combustible de hidrógeno?

Las pilas de combustible funcionan como baterías, pero no se agotan ni necesitan recargarse. Producen electricidad y calor siempre que se suministre combustible. Una pila de combustible necesita tres componentes principales para crear una reacción química. Consta de dos electrodos: un electrodo negativo (o ánodo) y un electrodo positivo (o cátodo) y una membrana de electrolito, un ánodo y un cátodo intercalados alrededor de un electrolito.

Se alimenta un combustible, como hidrógeno, al ánodo y el aire se alimenta al cátodo. Una celda de combustible típica funciona pasando hidrógeno a través del ánodo de una celda de combustible a través de campos de flujo y oxígeno a través del cátodo. En una celda de combustible de hidrógeno, un catalizador en el ánodo separa las moléculas de hidrógeno en protones y electrones, que toman diferentes caminos hacia el cátodo.

Los electrones se ven obligados a pasar por un circuito externo, generando una corriente eléctrica, un flujo de electricidad y un exceso de calor. Los protones migran a través de la membrana porosa del electrolito hasta el cátodo, donde se unen con el oxígeno y los electrones que regresan del circuito eléctrico para producir moléculas de agua, calor y otros productos. La combinación de oxígeno e hidrógeno ionizado sirve como base para la reacción química. Como no hay partes móviles, las pilas de combustible funcionan de forma silenciosa y con una fiabilidad extremadamente alta.

Una membrana de electrolito de polímero permite que los iones apropiados pasen entre el ánodo y el cátodo. Si el electrolito permitiera el libre control de todos los electrones o iones para pasar libremente, interrumpiría la reacción química. Al final del proceso, los átomos de hidrógeno cargados positivamente reaccionan con el oxígeno para formar agua y calor mientras crean una carga eléctrica.

Las celdas de combustible de hidrógeno se clasifican según el tipo de electrolito que utilizan y la diferencia en el tiempo de arranque que va desde 1 segundo para las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (celdas de combustible PEM o PEMFC) a 10 minutos para las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC). Una tecnología relacionada son las baterías de flujo, en las que el combustible se puede regenerar mediante la recarga.

Dentro del mercado de los combustibles, existen muchas aplicaciones diferentes con diferentes requisitos de energía. Para proporcionar la potencia adecuada, las pilas de combustible individuales se pueden ensamblar juntas, formando una pila. Una pila de pilas de combustible se puede dimensionar para la cantidad justa de energía para la aplicación. Las celdas de combustible individuales producen potenciales eléctricos relativamente pequeños, alrededor de 0,7 voltios, por lo que las celdas se “apilan” o se colocan en serie para crear suficiente voltaje para cumplir con los requisitos de una aplicación.

Además de electricidad, las pilas de combustible producen agua, calor y, según la fuente de combustible, cantidades muy pequeñas de dióxido de nitrógeno y otras emisiones. La eficiencia energética de una pila de combustible se sitúa generalmente entre el 40 y el 60%; sin embargo, si el calor residual se captura en un esquema de cogeneración, se pueden obtener eficiencias de hasta el 85%.

Beneficios de las pilas de combustible de hidrógeno

1. Más eficiente

En comparación con los medios tradicionales de alimentar automóviles y calentar hogares, por ejemplo, como el uso de combustibles fósiles como el carbón y el gas, las celdas de combustible de hidrógeno son mucho más eficientes. Producen mucha más energía por la cantidad de componentes que se utilizan.

Esto los hace mucho más limpios que los combustibles fósiles, ya que es necesario quemar más y liberar más sustancias químicas y dióxido de carbono a la atmósfera para obtener la misma cantidad de energía.

2. Las pilas de combustible de hidrógeno son silenciosas

Mientras que la extracción, el transporte y la refinación de combustibles fósiles es un asunto ruidoso y desordenado, las celdas de combustible de hidrógeno funcionan en silencio. En comparación con los motores de combustión interna, por ejemplo, en los automóviles, que son muy ruidosos, las celdas de combustible de hidrógeno no emiten ningún sonido. (Si se usaran para automóviles, por lo tanto, sería necesario agregar sonidos de motor artificiales para la seguridad de los peatones y los animales).

3. Eliminación de la contaminación

Al pasar de la quema de combustibles fósiles para obtener energía al uso de pilas de combustible de hidrógeno, estaríamos efectivamente pasando de uno de los peores contaminantes a una fuente de energía que no causa contaminación alguna. Además de pequeñas cantidades de dióxido de carbono y agua, no hay subproductos ni productos de desecho cuando se utilizan pilas de combustible de hidrógeno.

4. No más luchas económicas

Los combustibles fósiles se encuentran en todo el mundo, pero algunos países tienen el monopolio, por ejemplo, del gas y el petróleo. Esto significa que pueden negociar con otros países sobre el precio de los combustibles fósiles e incluso pueden inflar artificialmente el precio, lo que sienten los consumidores al final de la línea.

Por otro lado, debido a que las celdas de combustible de hidrógeno se pueden fabricar en cualquier país y no son propiedad de ninguna persona, empresa o país, no causan ninguno de los problemas económicos globales que causan los combustibles fósiles. Esto significa que los países de todo el mundo pueden ser más autosuficientes y menos dependientes de otros países, ofreciendo una gran seguridad energética para todas y cada una de las naciones que opten por utilizar pilas de combustible de hidrógeno.

5. Mayor tiempo de funcionamiento

Las pilas de combustible de hidrógeno tienden a durar mucho más que otras baterías normales que utilizan productos químicos para producir energía. Debido a que duplicar el tiempo de funcionamiento de la celda de combustible de hidrógeno significa duplicar la cantidad de combustible en lugar de duplicar la capacidad de la unidad (como con una batería), es mucho más fácil hacer que las celdas de combustible funcionen durante períodos de tiempo más largos sin esfuerzo adicional. dinero o estrés.

6. No se necesitan rejillas

Los combustibles fósiles se distribuyen a través de redes de energía para garantizar que todos los que necesitan energía la obtengan. Las celdas de combustible de hidrógeno pueden ser independientes de la red porque se pueden usar en cualquier lugar que tenga una fuente de energía y una fuente de agua. Esto, a su vez, significa que la generación de combustible mediante pilas de combustible de hidrógeno se puede distribuir por igual sin la necesidad de una red centralizada.

Desafíos de las pilas de combustible de hidrógeno

Desafortunadamente, las pilas de combustible de hidrógeno también presentan algunos problemas que, hasta ahora, están impidiendo su liberación universal en el mercado energético. Aunque hay muchos beneficios, hay algunos desafíos que parecen superar estos bonos, por lo que los desarrolladores y científicos todavía están trabajando arduamente, desarrollando celdas de combustible de hidrógeno mejores, más eficientes y seguras para que pronto puedan ser una alternativa viable. a los combustibles fósiles.

1. Puede ser bastante caro

Desafortunadamente, debido a la necesidad de materiales como el platino en la creación de celdas de combustible de hidrógeno, en promedio, puede ser mucho más costoso fabricar estas celdas en lugar de perforar, transportar y refinar combustibles fósiles. Por supuesto, en el transcurso de varios años, las celdas de combustible de hidrógeno terminarán pagándose por sí mismas en la cantidad de dinero que ahorrarán, pero el costo inicial es un poco más elevado de lo que les gustaría a la mayoría de los inversores.

2. No beneficia a las grandes empresas

Ciertamente, las grandes empresas no contribuirán con dinero al desarrollo de pilas de combustible de hidrógeno. Algunas de las empresas más grandes de Estados Unidos son las que se ocupan de los combustibles fósiles de una forma u otra. Les interesa seguir distribuyendo combustibles fósiles y, cuando empiecen a agotarse, recolectar más y más dinero a medida que la demanda empuja el precio hacia arriba y los suministros comienzan a bajar ligeramente. Las celdas de combustible de hidrógeno que ofrecen menos dinero a este tipo de corporaciones pueden verse como un problema para los empresarios.

3. Se necesitan más estudios

El estudio de combustibles alternativos aún está en curso. La ciencia detrás de cosas como las pilas de combustible de hidrógeno es todavía relativamente joven (incluso la primera idea para la pila de combustible de hidrógeno se concibió en el siglo XIX), lo que significa que todavía hay muchas cosas que no se han probado. Esto significa que el mercado de la energía no verá las pilas de combustible de hidrógeno como una alternativa viable a los principales combustibles fósiles y la energía nuclear, por ejemplo, tal vez incluso durante algunos años más.

4. No muy robusto

A diferencia del carbón, el gas y el petróleo, las pilas de combustible de hidrógeno no son muy robustas. Desafortunadamente, debido al delicado e intrincado funcionamiento que requieren, son más sensibles a su entorno y al medio ambiente, el significado y la contaminación y la temperatura pueden volverlos inútiles. Por el momento, esto significa que no se pueden usar en los lugares muy calientes o muy fríos y, si este problema no se resuelve, esto eventualmente significará que los lugares que a menudo sufren de frío o calor extremos no se beneficiarán de esta próxima tecnología. .

5. Problemas de seguridad

La idea principal hasta ahora para la implementación de las pilas de combustible de hidrógeno en la vida cotidiana es colocarlas en los coches. La tecnología se ha desarrollado teniendo esto en cuenta y la ciencia funciona perfectamente. El único problema real es el tema de la seguridad. El hidrógeno es altamente inflamable, más que el combustible regular, y es más difícil de contener que el aceite.

Esto significa que cualquier automóvil equipado con celdas de combustible de hidrógeno tiene muchas más probabilidades de explotar o incendiarse si se expone a un calor extremo, si se descompone o si se sobrecalienta. Este problema de seguridad es obviamente un gran problema para aquellos que esperan implementar esta nueva fuente de energía en sus autos.

Author: poweb

Diseñador web, siempre he querido poner mi granito de arena para la conservación del planeta. Lo intento con esta web y algunas otras.

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